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第0章 绪论1

0.1 深空探测的意义2

0.2 深空探测概况2

0.3 深空探测动力学与控制新问题4

0.4 本书的内容5

0.4.1 脉冲推进和连续小推力轨道设计5

0.4.2 深空探测自主导航技术7

0.4.3 引力辅助技术及其在深空探测中的应用9

0.4.4 小行星附近的轨道及轨道控制11

0.4.5 拉格朗日点周围的轨道13

0.4.6 不变流形及其在深空探测中的应用15

0.4.7 太阳帆航天器在深空探测中的应用16

参考文献17

第1章 脉冲推进深空探测轨道设计25

1.1 引言26

1.1.1 国外火星探测情况26

1.1.2 本章内容和方法28

1.2 转移轨道初步设计30

1.2.1 日心轨道设计和发射窗口选择30

1.2.2 地心段参数设计33

1.2.3 火心段参数设计38

1.3 精确模型下轨道参数修正40

1.4 中途修正42

1.4.1 国外深空任务中途修正案例42

1.4.2 中途修正的理论基础44

1.4.3 日心段中途修正策略47

1.4.4 中途修正策略仿真及分析50

1.5 捕获控制54

1.5.1 行星捕获问题55

1.5.2 燃料最优捕获策略59

1.5.3 其他推力模型捕获参数优化问题61

1.5.4 误差分析64

1.6 本章小结66

参考文献67

第2章 深空探测光学自主导航69

2.1 引言70

2.1.1 深空导航的发展概况71

2.1.2 深空自主导航系统中的光学敏感器72

2.1.3 主要研究方法73

2.2 深空探测自主导航建模及算法75

2.2.1 时间及坐标系统75

2.2.2 巡航段动力学模型77

2.2.3 接近段动力学模型78

2.2.4 光学自主导航观测模型78

2.2.5 滤波算法80

2.3 火星探测巡航段的光学自主导航方法84

2.3.1 火星探测巡航段的标称轨道84

2.3.2 巡航段中的光学自主导航原理85

2.3.3 导航小行星筛选87

2.3.4 仿真计算及分析90

2.4 火星探测接近段中的光学自主导航方法96

2.4.1 火星探测接近段的标称轨道96

2.4.2 导航系统在接近段的可观测性97

2.4.3 仿真计算及分析98

2.5 本章小结101

参考文献102

第3章 深空探测引力辅助107

3.1 引言108

3.2 行星引力辅助的原理110

3.2.1 引力辅助简化模型110

3.2.2 动力甩摆112

3.2.3 引力辅助轨道设计与优化方法115

3.2.4 引力辅助作用效果分析120

3.2.5 共振借力轨道及其应用125

3.3 引力辅助方式选择与轨道设计127

3.3.1 近地小行星探测127

3.3.2 主带小行星探测133

3.3.3 木星探测144

3.4 精确动力学模型中的引力辅助155

3.4.1 简单模型中的轨道初步设计156

3.4.2 精确动力学模型中的轨道修正158

3.4.3 设计算例与分析161

3.4.4 小结164

参考文献164

第4章 连续推力深空探测轨道设计167

4.1 引言168

4.2 直接法172

4.2.1 研究现状172

4.2.2 轨迹优化设计的直接法174

4.3 间接法176

4.3.1 研究现状176

4.3.2 轨迹优化设计的间接法178

4.3.3 间接法应用于深空轨道设计算例181

4.4 混合法183

4.5 本章小结183

参考文献184

第5章 连续推力轨迹优化的同伦方法191

5.1 连续推力轨迹优化与设计技术现状192

5.2 深空探测优化问题195

5.2.1 时间最优问题195

5.2.2 燃料最优问题196

5.3 约束处理197

5.3.1 端点时间和状态给定的约束200

5.3.2 初始时间和状态受约束200

5.3.3 末端时间和状态受约束201

5.3.4 中途飞越的内点约束201

5.3.5 中途交会的内点约束202

5.3.6 中途引力辅助的内点约束203

5.4 燃料最优问题同伦方法求解205

5.4.1 协态变量初值归一化207

5.4.2 带开关函数检测的定步长积分208

5.4.3 运用粒子群优化算法的全局优化211

5.4.4 非线性方程求解和求解策略总结213

5.5 引力辅助的脉冲估计214

5.6 数值算例216

5.6.1 从地球到金星的交会问题216

5.6.2 从地球到木星并利用火星引力辅助的交会问题219

5.6.3 长任务时间的近地轨道转移223

5.7 本章小结226

参考文献227

第6章 连续推力轨迹优化的伪普法233

6.1 引言234

6.2 伪谱法的理论基础237

6.2.1 伪谱法的数学基础：函数／积分／微分的近似237

6.2.2 伪谱法的优化基础：非线性规划问题与KKT条件241

6.3 伪谱离散的轨迹优化问题242

6.3.1 连续小推力轨迹优化242

6.3.2 时间域离散与微分矩阵242

6.3.3 伪谱离散的轨迹优化问题244

6.3.4 非线性规划问题及其KKT条件245

6.4 乘子等价映射与伪谱法应用246

6.4.1 最优控制与两点边值问题246

6.4.2 轨迹优化中的乘子等价映射249

6.4.3 关于乘子等价映射的讨论250

6.4.4 伪谱法求解能量最优轨迹253

6.5 伪谱-同伦混合方法与Bang-Bang控制259

6.5.1 伪谱法求解燃料最优轨迹的困难259

6.5.2 同伦技术的初始化困难261

6.5.3 伪谱-同伦混合方法263

6.5.4 伪谱-同伦混合法求解燃料最优轨迹264

6.6 分块伪谱法及乘子等价映射的推广270

6.6.1 含时变内点约束的轨迹优化问题270

6.6.2 分块伪谱法及其非线性规划问题272

6.6.3 基于伪谱网格的离散多点边值问题276

6.6.4 含时变内点约束的乘子等价映射278

6.6.5 分块伪谱法及其乘子映射的应用285

6.7 本章小结293

参考文献294

第7章 小行星附近的轨道299

7.1 引言300

7.2 小行星附近的力学环境303

7.2.1 轨道分布304

7.2.2 引力作用范围305

7.2.3 轨道运动方程307

7.3 小行星引力场描述方法308

7.3.1 质点群方法308

7.3.2 球谐函数方法310

7.3.3 多面体方法311

7.3.4 三种方法的比较315

7.4 小行星附近轨道平衡点与不变流形316

7.4.1 （216）Kleopatra模型317

7.4.2 运动方程和守恒量319

7.4.3 平衡点320

7.4.4 局部流形322

7.4.5 平衡点附近的周期轨道323

7.5 小行星附近的周期轨道328

7.5.1 周期轨道的拓扑类型329

7.5.2 三维周期轨道的搜索方法331

7.5.3 算例：（216）Kleopatra334

7.6 轨道共振与稳定性343

7.6.1 共振轨道的能量方程344

7.6.2 共振条件347

7.6.3 抛射轨道的概率分布347

7.7 本章小结350

参考文献350

第8章 小行星探测制导与控制355

8.1 引言356

8.2 小行星伴飞的常值推力控制356

8.2.1 探测器的轨道动力学357

8.2.2 常值小推力控制律设计358

8.2.3 仿真算例360

8.3 小行星附着的视线制导律361

8.3.1 坐标系统361

8.3.2 动力学方程362

8.3.3 滑模制导律362

8.3.4 算例364

8.4 小行星着陆、起飞燃料最优控制366

8.4.1 动力学方程366

8.4.2 着陆过程燃料最优控制367

8.4.3 起飞过程中的燃料最优控制问题368

8.5 小行星飞越轨道控制分析370

8.5.1 任务情况370

8.5.2 基本模型371

8.5.3 中途修正分析372

8.5.4 光照条件分析374

8.5.5 成像姿态调整分析375

8.5.6 测控约束分析377

8.5.7 星上数据存储和传输能力378

8.5.8 小行星定轨与星历精度378

参考文献378

第9章 限制性三体问题中的轨道动力学与控制381

9.1 引言382

9.2 圆形限制性三体问题384

9.3 拉格朗日点附近的编队395

9.3.1 Halo轨道附近的编队控制395

9.3.2 Halo附近的编队重构401

9.4 基于不变流形的登月轨道设计415

9.4.1 轨道设计过程416

9.4.2 能量分析419

9.5 本章小结423

参考文献423

附录A427

第10章 太阳帆航天器逆行轨道431

10.1 太阳帆航天器深空探测432

10.2 角动量翻转逆向轨道434

10.2.1 平面运动方程的建立434

10.2.2 速度图435

10.2.3 平面逆向轨道可行域438

10.3 逆向轨道新应用441

10.3.1 双逆向周期轨道442

10.3.2 日心逆向转移轨道448

10.3.3 撞击近地小行星450

10.4 三维双逆向周期轨道452

10.4.1 第一类三维逆向轨道452

10.4.2 第二类三维逆向轨道454

10.4.3 第二类三维轨道特性457

10.5 恒星际探测轨道设计与优化463

10.5.1 恒星际100 AU探测任务465

10.5.2 轨道发射窗口468

10.5.3 局部最优轨迹468

10.6 本章小结469

参考文献470